机械毕业设计（论文）-包钢炼铁4#翻板阀设计【全套图纸】 .pdf

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 1 内蒙古科技大学 本科生毕业设计说明书（毕业论文） 题 目：包钢炼铁 4#翻板阀设计 学生姓名： 学 号：200440401124 专 业：机械制造及其自动化 班 级：机 2004-1 班 指导教师：指导教师： 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 2 包钢炼铁包钢炼铁 4#翻板阀设计翻板阀设计 摘要摘要 我国炼铁技术取得了巨大的进步,不仅表现在技术经济指标上显著提高,而 且还表现在炼铁领域内多项技术、设备也有飞跃发展。无料钟炉顶的出现体现了 高炉技术的发展，本文介绍了串、并罐式无料钟炉顶的工艺设备组成，工艺流程 等问题。 翻板阀是炼铁行业广泛应用的重要设备。其结构简单，使用方便、可靠。该 设备装在高炉炉顶上，主要用于高炉卸料。此次设计的核心是对翻板阀的液压系 统的设计和主要零部件参数的计算。根据提供的工艺要求对翻板阀的运动，翻板 速度等参数进行分析，使翻板阀主要零部件在达到性能要求的情况下达到最优。 关键词：关键词：串罐 并罐 翻板阀 液压系统 轴承 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 3 abstract iron smelting technology has made tremendous progress in china. not only in technical and economic indicators improved significantly, but also in the field of a number of iron- smelting technology and equipment have leap in development. the bell- less top of the emergence has a blast furnace technology development. the compositions of the process equipments for the string- up and and- up bucket type bell- less top are introduced and the process flow chart of the bell- less top outlined and so on. flap valve is an important equipment which is widly used in iron- smelting industry. its structure is simple, and it is easy to use, reliable and its packed in the top of the stove. the design of the core is the flap valve of the hydraulic system design and the main components of the calculated parameters. according to the technological requirements of the campaign flap valve,and its speed and other parameters for analysis, flap valve to the main components in achieving the performance requirements to achieve optimal circumstances. keywords：string- up bucket type bell- less top and- up bucket type bell- less top flap valve hydraulic system bearing 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 4 摘要 i abstract .ii 第一章 绪论 1 1.1 炼铁的原理 1 1.2 炼铁技术的发展 1 1.2.1 新型熔态还原过程的概念设计. 2 1.2.2 过程和集成. 5 1.3 高炉的最新动态 6 1.3.1 并罐式无钟炉顶的特点. 6 1.3.2 串罐式无钟炉顶的特点. 9 1.3.3 串罐式无料钟炉顶与并罐式无料钟炉顶的比较. 16 第二章 翻板阀液压系统方案设计 17 2.1 总体方案的设计 17 2.2 翻板阀液压传动系统方案确定 18 2.2.1 选用开式系统或闭式系统. 18 2.2.2 选择液压泵的类型. 18 2.2.3 选择液压缸或液压马达. 19 2.2.4 确定系统的控制方式. 19 2.2.5 工作液体的选择. 19 2.3 翻板阀液压系统的设计参数分析 20 2.3.1 明确液压系统设计要求. 20 2.3.2 确定主要参数. 20 2.4 翻板阀液压系统原理图的设计 21 2.4.1 拟定液压系统原理图的相关注意事项. 21 2.5 翻板阀双缸的同步性 19 2.5.1 用分流阀同步的回路. 19 2.5.2 常规调速阀同步回路. 24 第三章 翻板阀的轴设计 25 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 5 3.1 轴的材料选择. 25 3.2 轴尺寸的确定. 26 3.2.1 初步确定轴的最小直径 26 3.2.2 轴的结构设计 26 3.3 精确校核轴的危险截面. 31 第四章 轴承和键的选取与校核 36 4.1 轴承的选取与校核 36 4.1.1 轴承的选取. 36 4.1.2 轴承校核. 37 4.2 键的选取与校核 37 4.2.1 键的选取. 37 4.2.2 键的优化设计. 38 第五章 设备的润滑及维护 38 5.1 轴承润滑及维护 38 5.2 高炉液压系统的维护 45 5.1.1 翻板阀液压系统故障树的建立. 45 5.1.2 翻板阀液压系统故障树的定性分析. 46 5.1.3 故障树重要度分析. 47 致 谢 信 48 参考文献 50 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 6 第一章第一章 绪论绪论 1.1 炼铁的原理炼铁的原理 在古代，铁是用直接还原法生产的。在 15 世纪，出现了高炉炼铁。目前， 95%以上的生铁是由高炉生产的。近年来，世界各国对直接还原炼铁比较重视， 产量有显著增长。 1987 年， 世界上约有 50 个直接还原厂， 生产总能力约 15mt/a。 1984 年世界直接还原的总能力约为 20mt/a，实际产量约为 9mt/a。 直接还原法是从铁的氧化物中，在固体状态下，不经渗碳直接得到金属铁。 使用气体或液体碳氢化合物或非焦碳做燃料， 不用优质焦， 这是一个很大的优点。 直接还原的产品是海绵铁或金属化球团，可以代替费钢作为电炉炼铁的原料。 直接还原的缺点是要求使用高品位的矿石，并以制成球团形态为宜。直接还 原的单机能力小，最高年产量为 0.6mt，直接还原炉要象高炉那样日产生铁达 10000t 以上是不可能的， 因为还原炉仅以矿石为原料， 其透气性不及使用焦碳的 高炉好。 直接还原的生产方法有好多种，得到广泛应用的是米德兰法（竖炉法） 、希 尔法（反应罐法）和 sl/rn 法（回转窑法） 。其中竖炉法是最有希望的一种。由 于直接还原法的建设费用和生产费用较低，在生产规模上灵活性大，特别对于发 展中国家更有发展前途。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 7 1.2 炼铁技术的发展炼铁技术的发展 在过去的十几年里，为了实现直接用煤炼铁的目标，各国已研究了多种工 艺路线，积累了丰富的经验和数据。概括而言,根据考虑问题的角度,可将其分为 两种类型：其一为在整个过程中尽可能遵循高炉炼铁原理,并实现最大能量回收; 其二为尽可能地在熔炼炉内充分利用煤的能量， 亦即在熔融态还原炉内进行二次 燃烧，并选择不同方法来实现燃烧热向下部的传递。 高炉的上部有三个主要功能： 上升气体与矿石的逆流换热； co 和 sio 发生 歧化分解反应, 并将 c 和 si 沉积在矿石的表面；进行间接还原反应，即矿石的 预还原。下面提到的多级流化移动床预还原反应器遵循此原理,也具有这三种功 能。 高炉的下部同样也具有三种主要功能：半熔及熔态反应；在赤碳表面上发 生最终还原反应和渗碳反应，即滴流床；生铁的熔渣脱硫。新反应器具备了这三 个功能，即闪速熔化和在热煤层上形成的滴流床还原反应。corex 工艺的工业 应用之所以取得成功,最重要的原因就在于它采用了上述的近似于高炉的原理， 唯一的不同在于它利用了两个反应器来代替高炉，使用煤代替了焦炭。然而 corex 过程还有两个问题亟待解决：即如何处理矿粉与铁精矿和如何最大限度 地利用高浓度 co+h2 的尾气。 1.2.1 新型熔态还原过程的概念设计新型熔态还原过程的概念设计 在中国，冶金领域的科学家和工程师必须面对国内的贫铁矿，但同时又有自 己的优势，即非常便宜且储量丰富的煤炭资源。基于以上原因,在尽可能采用高 炉和 corex 原理的前提下， 针对中国的矿物和燃料资源状况做了如下的概念设 计。 首先，设计了多级流化移动床反应器，如图 1.1 所示。铁精矿粉从反应器上 部加入，以可控速度从倾斜的多孔塔板上依次流下。从塔板的开孔上升的还原气 体可以使矿粉从上一级塔板流向下一级。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 8 图 1.1 多级流化移动床预还原反应器的示意图 1气体出口；2冷却系统；3储料仓；4螺旋出料口；5载气； 6高温煤气入口；7倾斜塔板 在该反应器中将进行三个反应： (1)在反应器的上部进行气固热交换,将煤气的显热传递给矿粉； (2)在反应器中部温度位于 500600的区间内发生 co 和 sio 的歧化分解 反应， 将超细碳颗粒沉积在铁矿粉的表面， 从而可避免在后续还原过程中的粘结； (3)在反应器的下部主要进行间接还原过程。每个颗粒在经过多级流化移动 床反应器后，大概有五个层次:最外层为碳层,其次为 3 fe c 层，再次为铁层，内层 为未还原的氧化铁和 34 fe o 。随着停留时间的延长，其还原程度逐步深化，时间 足够长时，内层可全部还原为铁。 其次,利用一个螺旋进料器将经过预热和预还原的矿粉推入熔炼炉(图 1.2)。 在入口处，使用循环气将物料吹入。在其下部,为了延长氧的吹入深度并扩大反 应区域，使用了两个偏心对吹的物料喷枪和氧气喷枪。表面有碳粉覆盖的还原矿 粉，喷入炉后，与氧反应发生闪速熔化。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 9 图 1.2 熔态还原炉与预还原反应器的联结示意图 1熔态还原炉；2螺旋进料器；3多级流化移动床预还原反应器 第三,在熔态还原反应器(图 1.3)内设计了滴流床,熔化的液滴从赤热的碳层 中滴落和终还原,在穿过静渣层的过程中进行脱硫反应。炉内所产生的过热气体 (co+ 2 co )上升穿过煤层,其中的大部分 2 co 被还原。出口气体的温度控制在 1 000以上,以使从煤中逸出的挥发气体得以全部分解。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 10 图 1.3 熔态还原炉示意图 1铁水出口；2氧气人口； 3煤气出口； 4铁水； 5渣； 6煤和预还原铁矿； 7块煤入口；8预还原矿喷入口； 9出渣口 最后,利用一个装置将熔炼炉的出口气体的温度控制在适于预还原反应器使 用的 850900范围内。 将上述两种类型的工艺路线进行了比较,表 1.1 列举了二者的长处和短处。 表 1.1 二次燃烧与使用矿粉的最大能量回收的优缺点 二次燃烧 最大能量回收(用粉矿) co 在熔炼炉内燃烧并将热直接传递给铁浴 在预还原反应器内回收气体显热 通过不同的传热方式回收二次燃烧热 在预还原反应器内通过 co 分解反应将碳包 覆在铁精矿粉表面 可望将吨铁煤耗从 1000 kg t 降至 850900 kg t 实现铁精矿的高预还原率且无粘结 极大地减少污染 极大地减少污染节省投资和降低生铁成本 传热困难 预还原过程需做工业规模试验 耐火材料侵蚀严重 需设计预还原精矿粉高温螺旋进料器 渣脱硫能力较低 需要冶金厂(高温反应)与化工厂(低温反应) 联合设计 在操作不佳的情况下由于包渣效应会 增加煤耗 大幅度减少 co2 排放量 1.2.2 过程和集成过程和集成 由预还原反应器排除的气体组成约为 co65%70%,h 2 10%15%，( 2 co + 2 h o)20%。对于某些化工过程是很有价值的原料，如合成汽油、羰基化合成醋 酸及合成甲醇等。也可以作为联合循环发电的清洁燃料。 在此概念设计中以合成汽油作为实例(见图 1.4)。进入汽油合成单元以前， 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 11 首先需要将此气体压缩至 2155 m pa，然后进行气体清洗和水煤气变换反应，将 混合气中的 2 h、co 之比调至 2 左右。最后,气体在两级汽油合成反应器中反应 生成高辛烷值(9093)汽油。 循环气有三个用途:部分用于将还原铁矿粉吹入熔炼 炉；另一部分用作预还原炉入口气体的调温；还有一小部分气体用作扫气,作为 冶金工厂加热用。2155m pa 压力的气体在降低压力的过程中应通过膨胀机回收 能量。 图 1.4 氧煤制铁和制油的联合流程示意图 1熔态还原炉 2流化移动床预还原反应器 3水煤气转化器 4脱 co2 塔 5汽油二段合成塔 6炉渣换热器 7螺旋送料器 8压缩机 9膨胀机 10油气分离器 汽油合成技术已经开发成功，可以直接采用。在南非 sasol 过程已运转多 年，中国山西煤化所也已进行了 3000 h 的原型实验，取得了很好的结果在水煤 气变换反应阶段，需要大量的水蒸气，其中一部分可以从汽油合成反应器获得， 而另一部分则可从高温渣中获得，这需要制造专门的回收设备。 针对我国内地储有的大部分铁矿为贫矿这一状况， 如果采用如上所述的这种 概念设计来生产生铁，可以从中获得如下利益。 (1)根除化工冶金过程的污染源,即炼焦过程、烧结过程、煤粉生产过程和煤 气化过程。 (2)大大降低生铁和汽油的生产成本和投资。有关经济参数粗略估计：省去 烧结，吨铁可降低成本约 100 元，省去煤粉磨制过程，可降低成本约 6080 元， 尾气的优化利用，可降低吨铁的生产成本约 150 元，设备投资的节约可降低成本 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 12 约 100 元。 (3)初步估计， 炼铁厂的投资可望节省 25%30%， 而由于省去了用于汽油合 成的煤气化单元，可节省煤炼油的投资 60%65%,这将使得由煤合成的汽油有 可能与由石油生产的汽油竞争，对于有丰富的煤炭资源的中国内地是极好的选 择。 当前,中国内地的许多小型高炉正面临着技术改造的难题，或者停产，或者 由新的过程取代。如果能够直接使用细矿粉并与汽油合成过程相连，将有可能给 中国带来极大的利益，同时也可推进世界冶金业的技术发展。 1.3 高炉的最新动态高炉的最新动态 1.3.1 并罐式无钟炉顶的特点并罐式无钟炉顶的特点 并罐式无料钟炉顶的料罐一般都是偶数，我们以两个并联的料罐来分析。两 个并列的料罐布置在高炉的中心线两侧，料批由带式上料机输送到炉顶，经过移 动小车装入料罐。这是一种用得最广泛的布置形式。生产时间表明，并罐式炉顶 的最大缺点是偏置料罐卸料使料流生产水平分速度， 导致进入中心喉管的原料不 可能均匀对称地垂直下落，因此炉喉周向布料出现体积和粒度不均匀。在导料漏 斗出口采用挡料环虽可以在一定程度上克服上述缺点，但仍不能根本消除。 为了改进上述缺点，并罐采用了旋转漏斗代替原来的挡料环。旋转漏斗的排 料口有油缸升降操作的托盘控制卸料。当布料溜槽旋转布料时，托盘的开口度大 小要调节得当，使旋转漏斗边卸料边边存料。如果托盘的开口度过大，漏斗内没 有存料，就丧失对称均匀给料的作用。如果托盘的开口度过小漏斗内存料过满， 就会与下密封阀盖接触，妨碍旋转漏斗的正常运转。由于增加了旋转漏斗，使设 备复杂化，并增加了炉顶设备的总高度。为了降低炉顶高度，两个下密封阀盖由 原来的单动作操作改为由两个油缸双动作操作。 国产并罐无料钟装置均压系统和冷却系统的改进： 1.均压系统的改进 (1)原设计均压系统 原设计均压系统流程为:均压用氮气经管道流量计减压阀(dn125) 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 13 旋塞阀(dn125)止回阀(dn125) 3 10m 储气罐现场压力表手动对夹式 蝶阀(dn125)止回阀(dn125)压力表截止阀(dn125)此后分二路,其中 第一路作为吹扫用氮气分别通向左、右罐上密封阀、下密封阀、料流调节阀等； 第二路作为左、右两个料罐进行均压用氮气其中任一路均为接截止阀 (dn32)自力式微正压调节阀(zzcp10、dn32；它还有一个并联的旁通 截止阀 dn32)截止阀(dn32)均压阀(dn200)止回阀(dn200)料罐 (均压放散阀 dn300 另设)。 从上述流程可知： 通过在储气罐前、后设置的减压阀分二次减压，将均压氮气压力降低到 150 kpa 左右； 再利用自力式微正压调节阀(调节机构端接均压氮气， 另外一端接高炉 上升管取炉顶压力)比较均压氮气压力与炉顶压力之间差别调整均压氮气压力， 使均压氮气压力高于炉顶压力 1520 kpa(可调整及选择)，进行均压作业。分析 上述流程的优点是：自力式微压调节阀可以稳定地调节均压压差在 1520 kpa 范围。只要料罐装完料，就可以对料罐进行均压，等待放料。在装料程序上可以 采用左、右两个料罐不等料线装入(即两个料罐内料先、后装入时不必放探尺。) 上述流程的不足是： (1)阀门太多,对一个料罐而言多达 13 个； (2)自力式微正 压调节阀管径为 dn32， 而它前面的阀门与管径为 dn125,它后面的阀门(均压阀、 止回阀)的管径为 dn200；与微正压调节阀小管径(dn32)形成强烈的节流作用, 影响均压效果,特别是料罐密封性能变差时，影响更大；(3)自力式微正压调节阀 的调节机构有一端是直接与上升管和连取炉顶压力， 此管道容易为煤气灰尘堵塞 而经常需要处理，往往易影响自力式微正压调节阀的正常工作。 (2)改进后的均压系统 改进后的均压系统为：(a)均压用氮气，一次减压到 200 kpa 后送到氮气储气 罐；(b)取消自力式微正压调节阀，利用计算机直接比较进行均压时，料罐冲压 后的氮气压力与炉体检测系统原有的炉顶压力(高选,即选择炉顶压力高的一个数 值)的差值，当差值达到 15 kpa 时,打开下密封阀与料流调节阀放料，一边关闭均 压阀,其流程如下： 均压用氮气截止阀(dn125)减压阀(dn125)逆止阀(dn125)(在截止 阀前与逆止阀后之间还设置带闸阀的旁通管路)n2 储气罐闸阀 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 14 (dn200)均压阀(dn200)闸阀(dn200)料罐。 分析改进后的流程可知：(1)系统中阀门大大减少，单罐均压用的阀门数量 从 13 个减至 7 个；特别是取消了自力式微正压调节阀简化了工艺流程，减少了 维护工作量和故障点；(2)系统利用料线发均压信号，按程序对左料罐或右料罐 打开均压阀进行均压，当压差达到设定值时，打开下密封阀与料流调节阀放料， 然后关闭均压阀。在装料程序上虽然不能实现左、右两个料罐不等料线装入(即 两个料罐内料先、后装入时不必放探尺)，但是能够满足高炉正常所需的装料程 序。 2.冷却系统的改进 国产并罐无料钟的气密箱虽是水冷、水封结构，但是冷却系统相对简陋，主 要靠喷淋水冷却，这与盘管水冷却的进口无料钟系统相比较冷却效果差得多。因 此，(a)平常运行时，气密箱的控制温度不能定得与进口无料钟气密箱的控制温 度一样(75)高， 应该将气密箱的控制温度降至 4550； (b)最忌断水情况发生， 一旦断水便失去了喷淋水冷却作用， 直接造成气密箱内角或角的传动齿轮系 统受热膨胀及润滑作用失控而不能正常工作。 根据经验和教训所得：如休风前气密箱内角或角的传动齿轮系统正常， 但是复风后却不能运行， 经过分析确认是休风期间高压水泵停止运行断水后受热 膨胀而引起的故障；如有时气密箱内角或角的传动齿轮系统突然不正常，休 风后机械方面并未做大的处理，传动齿轮系统又可以运转，分析起因就是气密箱 温度控制不当，经休风冷却后又恢复了正常运转。 气密箱水冷、水封结构的冷却水来源于风口、渣口小套的高压水(从供风口 小套、渣口小套的高压水环管引出一路经截止阀送至标高 30 m 左右的气密箱顶 部 3 个喷淋水管)，气密箱冷却水用量为 812 3 /mh，水压为 200 kpa 左，改进 后，在风口平台设置一台备用水泵(扬程 3 m、流量 10 3 /mh)从回水池取水供水 管接至原高压供水管道上的截止阀前。在休风时高压水泵停止运行后，即时开备 用水泵；在平时运行中当气密箱温度持续过高(如超过 50)启动备用水泵，把气 密箱温度控制得更可靠些。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 15 1.3.2 串罐式无钟炉顶的特点串罐式无钟炉顶的特点 随着炼铁技术的发展,要求提高炉顶压力和采用灵活的布料方式，钟式炉顶 因其密封性差， 布料形式单调而逐步被淘汰， 取而代之的是罐式炉顶齿轮箱设备。 其中罐式的上密封阀和下密封阀取代了大、小钟的功能；布料齿轮箱满足了布料 方式灵活的特点，使得炉况的调整更为方便，其中最重要和最关键的就是布料齿 轮箱和下料闸。 串罐式无料钟炉顶装置的构成见图 1.5。 上罐 上料闸 放散阀 上密封阀 均压阀 下罐 电子称 波问管 下料闸 下密封阀 溜槽 图 1.5 串罐式无料钟炉顶装置示意图 1.3.2.2 实现串罐式无料钟炉顶控制的几个关键事项 1.原料的准备 根据高炉给定的装配料矩阵，原料系统将炉料配好后，存放在中间料斗中。 当上罐发出要料请求时，原料系统将炉料通过料车送入上罐。当上罐发出料满信 号后，原料系统停止上料，开始配料。当下罐料空，而上罐中有料时，开启放散 阀，待放散好后,开启上密封阀,开启上料闸,原料从上罐装入下罐,完成原料的准 备。 2.串罐式无料钟炉顶的操作方法 系统设计有三种操作方式，四种布料控制方式，以最大限度地满足高炉生产 需要。 三种系统操作方式 a环形布料 在布料过程中的任何时刻手动或通过布料矩阵调节溜槽的倾 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 16 动位置,实现单环或多环布料。 b扇形布料 系统按设定的中心点和弧长,溜槽以低速作扇形运动。这种方 式一般在开炉或调整炉况时使用。 c定点布料 手动将溜槽定位，在布料过程中，可任意改变溜槽倾动角度 布料，实现定点或直线布料。 d螺旋布料 溜槽作匀速旋转运动，下料闸开始动作的时刻必须比上次开 同一品种炉料时旋转角度往前进一个角度，同时作径向运动，形成变径运动形成 螺旋形炉料分布，溜槽由外向内改变倾角，或由内向外改变倾角，根据要求调节 料层厚度，获得平坦料面。 1.3.3 串罐式无料钟炉顶与并罐式无料钟炉顶的比较串罐式无料钟炉顶与并罐式无料钟炉顶的比较 70 年代的无料钟炉顶为并罐式，这种形式的弊端是由于料罐中心偏离高炉 中心，产生布料偏析，而串罐式炉顶与高炉同心，不仅减少了中心偏析，而且减 少了料罐数量，减少了炉料运动行程，有利于提高煤气利用率,使炉况顺行。 并罐式两个料斗装在一个大梁上， 梁的刚度及一个料斗卸料都要影响另一个 料斗称量，其精度很难保证，而串罐式上下料斗是分开的，称量斗是独立的，不 受外界影响，称量精度高，对高炉实现理想的冶炼过程，实现自动化操作是十分 重要的。 串罐式简化了设备，设备重量减少，相应地维护量和维护费用都较少。并罐 式有一备用罐，可减少休风机会，但一罐维持生产，生产效率低，炉内温度差异 大,难以顺行。 总之，高炉炉况的调节主要有上部调节和下部调节两种手段。下部调节手段 多,如风量、风温和喷吹燃料量等；上部调节主要靠布料制度来实现。现在许多 厂矿多采用串罐式无钟炉顶。为了保证布料准确，在程序设计中，避开了复杂模 型函数计算，采用了经验模型。系统的自适应程序能不断地修改经验参数，逐步 逼近最佳状态。通过实践，高炉炉况正常，焦比也迅速下降，然而，最好的无料 钟布料控制模型应是恒料流控制模型。其重点是解决料流调节阀的动态调节特 性。 如何使布料制度与高炉炉况有机地结合起来，形成调节炉况的综合数学模型 或者专家系统，是最大限度地发挥无料钟设备优越性的新课题。在串罐式无料钟 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 17 高炉的整个系统中，上位机系统的能力严重不足，无法满足高炉对各种数据处理 的要求，更无法实现高炉专家系统。如果对以上问题加以解决，预计它将能进一 步起到增铁节焦，降低成本，提高炉龄的目的。 第二章第二章 翻板阀液压系统方案设计翻板阀液压系统方案设计 2.1 总体方案的设计总体方案的设计 液压系统的组成主要包括动力部分、控制部分、执行部分、辅助部分。其中 动力部分主要包括液压泵或者蓄能器（做为紧急或辅助动力源） ；控制部分主要 包括各类压力、流量、方向等控制阀，主要用来实现对执行元件的运动速度、方 向、作用力等的控制也用于实现过载保护、程序控制等；执行部分主要包括液压 缸、 液压马达等， 主要用以将液体压力能转换成机械能； 辅助装置主要包括管道、 蓄能器、过滤器、油箱、冷却器、加热器、压力表、流量计等。 液压系统的设计中，不但要实现其调节功能，还要尽可能地利用能量，达到 高效、 可靠运行的目的。 液压系统的功率损失会使系统的总效率下降、 油温升高、 油液变质，导致液压设备发生故障。因此，设计液压系统时必须多途径地考虑降 低系统的功率损失。 一般情况下，液压系统的设计过程大体上包括下述的几个基本步骤： 拟订液压系统的步骤及方案，完成液压系统的原理图的设计；液压系统的计 算；选择或设计各种液压元件等。 首先要了解清楚所设计的液压系统要完成的能是什么。 明确液压站的功能，并了解完成这些实传动功能所需要的回路，选定用什么 样的液压回路及完成液压回路所需要的液压元件。 明确液压系统所需要的各个回路之间的关系以及完成这些回路所需要的各 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 18 个元件之间的连接方式，还要确定采用什么样的元件、采用什么样的原理连接和 基本回路的形式。 明确系统对安全保护的要求程度，同时要考虑高温、低温、潮湿、灰尘、振 动、腐蚀等因素，以便采取相应的特殊措施。 2.2 翻板阀液压传动系统方案确定翻板阀液压传动系统方案确定 2.2.1 选用开式系统或闭式系统选用开式系统或闭式系统 此液压系统可选用开式系统也可选用闭式系统。开式系统是指液压泵从油 箱吸油，油经各种控制阀后，驱动液压执行元件，回油再经过换向阀回油箱。 这种系统结构较为简单，可以发挥油箱的散热、沉淀杂质作用，但因油液常与 空气接触，使空气易于渗入系统，导致机构运动不平稳等后果。开式系统油箱 大，油泵自吸性能好。闭式系统中，液压泵的进油管直接与执行元件的回油管 相连，工作液体在系统的管路中进行封闭循环。其结构紧凑，与空气接触机会 少， 空气不易渗入系统， 故传动较平稳,但闭式系统较开式系统复杂， 因无油箱， 油液的散热和过滤条件较差。为补偿系统中的泄漏，通常需要一个小流量的补 油泵和油箱.由于闭式系统在技术要求和成本上比较高。 要选择系统的类型主要 取决于它的调速方式和散热要求。一般的，采用节流调速和容积节流调速的系 统、有较大空间放置油箱且不需要另设散热装置的系统、要求结构尽可能简单 的系统等都宜采用开式系统；采用容积调速的系统、对工作稳定性和效率有较 高要求的系统、行走机械上的系统宜采用闭式系统。通过对翻板阀的研究，该 设备比较适合选择闭式系统，具体原因有以下方面：因为翻板阀是在高炉炉顶 放置，并且处于高污染区，如果液压油受污染则会影响到其他零件的动作，最 终导致系统无法正常工作，造成生产上的重大影响。 2.2.2 选择液压泵的类型选择液压泵的类型 齿轮泵的结构简单，工艺性好，体积小，重量轻，维护方便，使用寿命长， 但工作压力较低，流量脉动和压力脉动较大，如高压下不采用端面补偿时，其容 积效率将明显下降。对于本实验系统主要是要求效率高的特点上是不合适的，而 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 19 且其压力脉动和噪音都很大，不适合高炉炉顶使用。 柱塞泵的精度高，密封性能好，工作压力高，但是它的结构比较复杂，制造 精度高，价格贵，对油液的污染敏感，所以对于开式系统，一般并不使用，同时 这也不利于提高整个高炉的性价比。 叶片泵的结构紧凑，外型尺寸小，运动平稳，流量均匀，躁声小，寿命长， 价格适中，比较适合用在高炉，所以液压泵选择叶片泵能够满足工作的振动、噪 声、油压的脉动、油温的升高等。 2.2.3 选择液压缸或液压马达选择液压缸或液压马达 一般来说， 工作机构做直线往复运动者， 都选用各种油缸驱动； 回转运动者， 都选用各种油马达驱动；摆动者，则选用各种摆动油缸驱动。同样，这也不是绝 对的。例如，对于那些行程长的直线运动或要求位移准确的直线运动机构，也可 采用油马达径向丝杠传动。本设计中只有要求油缸往复摆动，故选用液压泵。由 于所要完成的运动两个翻板往复摆动，所以需要两个液压缸。 2.2.4 确定系统的控制方式确定系统的控制方式 控制方式从不同的角度来分。可有手动、机动、气动、电动、液动、电液动 等；也可分为压力控制、行程控制；还可分为内控制和外控制等。究竟选用那种 方式，应视系统的具体结构、功率范围、精度要求、自动化程度、能源形式、使 用的场合以及机器使用的频率程度和利用率等因素而定。 本次设计的设备是在高炉炉顶，环境恶劣，污染严重，处于危险地带，可选 择电动与手动及电液动相结合的方式，其它具体控制还需要根据设计要求来选 择。 2.2.5 工作液体的选择工作液体的选择 常用的工作液体有矿物油、 合成油和水乳油。 液压传动系统几乎都采用前两 种油液，特别是各种矿物油，他既可满足一般液压系统的要求，价格又便宜；合 成油液具有优良的品质指标和特殊物质，但目前产量较少、成本高、不宜多用， 常用于某些有专门技术要求的精密系统中。总之，在满足要求的前提下，尽量选 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 20 择价格便宜的，一般工作液体，不可优材劣用，造成浪费。 2.3 翻板阀液压系统的设计参数分析翻板阀液压系统的设计参数分析 2.3.1 明确液压系统设计要求明确液压系统设计要求 该液压装置主要用于高炉炉顶。 本设计要求在现有设备的基础上， 进行消化、 吸收、改进。 2.3.2 确定主要参数确定主要参数 液压缸的基本尺寸：d=80mm，d=45mm,s=250mm。油缸最大压力腔为无杆腔压 力，系统工作时无杆腔进油。初取油缸初速度 v=40mm/s。 1.确定工作压力，选择缸的型号： 2 22 1.46 d dd = 式（2- 1） 查手册得工作压力 p=16mp,推力：80.42，拉力 54.98。联接螺纹：m=272 所以液压缸型号为： 1 80/ 45 25010yhgelehl。 2.液压泵的选取： 16pmpa= 工作 查手册选定量叶片泵，型号为25ybef 3.电动机的选取： 1 5024 40200960qav= 222 11 805024 44 admm= p qqn= 因为：16.11.21.2 200960 6014.469120 / min p qkqql= 所以查手册得， n=1500 转/分（额定） ，故驱动功率：7.84kw。故选 1 2004yrl 三相异步电动机 18.5pkw= 1465/n =转 分。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 21 2.4 翻板阀液压系统原理图的设计翻板阀液压系统原理图的设计 2.4.1 拟拟定液压系统原理图的定液压系统原理图的相相关关注意事项注意事项 在确定了上述诸多问题的基础上， 便可着手拟定和绘制初步的液压系统原理 图。 拟定液压系统原理图是液压设计中的一个很重要的步骤， 这一步要做的工作 就是合理应用压力控制回路、 速度控制回路和方向控制回路等基本回路的有关知 识和各种液压元件的基本特征及功能的知识， 组成一个满足工作机构要求的液压 系统。 但能够满足同样要求的液压系统不会是唯一的， 一定会有多种形式和结构， 应当从不同的系统中，选择最佳方案。 在拟定液压系统原理图时，还应特别注意分析国内外类似设计中的液压系 统，并从分析比较中吸取精华，为我所用。在前人工作成果的基础上加以改进和 提高， 这对比较缺乏经验的我们来说极为重要，这样可以避免重复性的工作和少 走弯路，成功的把握较大，也应当防止一味的照搬照抄，脱离实际造成浪费。 在绘制液压系统原理图时，常须注意几个重要的问题： 1、当系统有较多的执行机构时，要防止互相干扰和影响。例如用一台油泵 向几个油缸或马达供油，当其中一个油缸的负载突然降低时，会使并联的其它所 有的油缸或马达的压力也随之降低，建立不起压力，因而不能正常工作。 如果几个油缸的耗油量和工作压力相差很大时， 就应考虑用多台油泵分别单 独供油，或装设单向阀、减压阀、顺序阀等，以便控制油缸或马达完成规定的动 作。 2、系统的组成应力求简化，避免出现多余回路或多余的元件和装置。不必 要的复杂化，不仅浪费，而且导致故障的增加，多消耗能量，使油液发热，维修 不方便。 应当遵循的原则是： 完成的动作要求使用的元件越少越好， 回路越简单越好。 对于系统所用的每个元件的作用都应能够说明，否则该元件就是多余的，一定要 取消。 设计时， 还必须尽力使系统及其元件符合标准化、 系列化和通用化的 “三化” 的原则，尽可能选用标准件与通用件，只有在满足不了要求的情况下，才可以设 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 22 计专用的非标准件。 3、证系统使用可靠性。尽量提高设备的运转率。当系统有过载危险存在时， 应装设安全阀；还应考虑负载突然消失造成工作机构飞车的可能性。对于垂直运 动的大质量负载，要有平衡和限速装置，某些精密元件由于油温过高或污染，开 始引起卡住失灵现象，要对其净化装置尤为注意。 为了防止和及时发现故障，在此较重要的液压系统，应当装设诸如故障显示 信号灯、油温报警器信号、自动停车及停车按纽等。 对关键性和易出故障的装置要考虑配有备用件。 4、要采取措施减少系统的振动冲击、噪声、漏油污染环境等，对高温、低 温、潮湿、腐蚀、灰尘等使用场合，要有专门的措施。 要特别注意液压系统的安装、 操作和经常性的维护检修方便以及对操作者可 靠的安全保护措施。这些方面的问题往往被缺乏操作经验的设计者忽略，结果， 系统本身虽然合理，但却不受使用和操作人员的欢迎，也不能算是成功之作。 5、高系统效率，防止系统过热 这就要求在选择回路以及在组成系统的整个设计过程中， 应力求减少系统压 力和容积损失。它涉及的面广，比如：要注意选用高效率的液压元件、辅件；正 确选用液压油；合理选择油管内径。尽量减少油管长度和弯曲处；采用效率较高 的压力、流量和功率适应回路等。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 23 2.5 翻板阀双缸的同步性翻板阀双缸的同步性 2.5.1 用分用分流流阀阀同步同步的的回路回路 ac b d a 一换向阀;b 一背压阀;c 一换向阀;d 一分流阀 图 2.1 分流阀同步回路 该种回路采用分流阀使两液压缸同步（图 2.1） 。当换向阀 a 与 c 同时切换 至左位后，压力油经分流阀 d 被分成等量的两股油液分别流入两液压缸无杆腔， 两活塞同步上升。当换向阀 a 与 c 同时切换至右位后，压力油经分流阀 d 被分 成等量的两股油液分别流入两液压缸有杆腔，两活塞同步下降。背压阀 b 的作 用是防止活塞下降时因自重而快速下滑，但同时也使活塞上升时背压比较大，增 加了功率损失。 分流阀的结构简单、 体积小、 重量轻， 负载变化对步精度影响小， 但压力损失较大，系统效率比较低。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 24 2.5.2 常规调速阀同步回路常规调速阀同步回路 a a 一调速阀 图 2.2 调速阀同步回路 1 图 2.2 回路采用两个调速阀可使液压缸单向同步，原理是分别调节两缸回油 路上的调速阀，使两缸活塞移动速度同步，并且可以实现多双缸同步。但同步精 度受调速阀性能和油温影响，而且各个调速阀比较难调到相同流量，所以误差比 较大。 通过两种控制方式的对比，第一个控制方式比较合适。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 25 第三章第三章 翻板阀的轴设计翻板阀的轴设计 3.1 轴轴的的材材料选择料选择 轴的材料：首先应有足够的强度，对应力集中敏感性低；还应满足刚度、耐 磨性、耐腐蚀性及良好的加工性。常用的材料主要有碳钢、合金钢、球墨铸铁和 高强度铸铁。 选择轴的材料时，应考虑轴所受载荷的大小和性质、转速高低、周围环境、 轴的形状和尺寸、生产批量、重要程度、材料机械性能及经济性等因素，选用时 注意如下几点： （1） 碳钢有足够高的强度，对应力集中敏感性较低，便于进行各种热处理及机 械加工，价格低、供应充足，故应用最广。一般机器中的轴，可用 30、40、45、 50 等牌号的优质中碳钢制造，尤以 45 号钢经调质处理最常用。 （2） 合金钢机械性能更高，常用于制造高速、重载的轴，或受力大而要求尺寸 小、重量轻的轴。至于那些处于高温、低温或腐蚀介质中工作的轴，多数用合金 钢制造。常用的合金钢有：12crni2、12crni3、20cr、40cr、38simnmo 等。 （3） 通过进行各种热处理、化学处理及表面强化处理，可以提高用碳钢或合金 钢制造的轴的强度及耐磨性。特别是合金钢，只有进行热处理后才能充分显示其 优越的机械性能。 （4） 合金钢对应力集中的敏感性高，所以合金钢轴的结构形状必须合理，否则 就失去用合金钢的意义。另外，在一般工作温度下，合金钢和碳钢的弹性模量十 分接近，因此依靠选用合金钢来提高轴的刚度是不行的，此时应通过增大轴径等 方式来解决。 （5）球墨铸铁和高强度铸铁的机械强度比碳钢低，但因铸造工艺性好，易于得 到较复 杂的外形，吸振性、耐磨性好，对应力集中敏感性低，价廉，故应用日 趋增多。 故根据翻板阀轴的要求，首选优质碳素结构钢。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 26 3.2 轴尺寸的确定轴尺寸的确定 3.2.1 初步初步确定确定轴轴的最的最小直径小直径 先按式 0 3 3 95550000 0.2 pp da t nn = 机械设计式（15- 2） 选取轴的材料为 45 钢，调质处理。 式中： 0 a 3 0 9550000 0.2 t p a = ，查表 15- 3，取 0 a =112； t 扭转切应力， a mp ； n轴的转速，/ minr； p 轴传递的功率，kw； 所以 33 min0 2.58 11298.4 1.87 p dammmm n = 输出轴的最小直径显然是安装曲柄的直径 1 2 d 。而曲柄的直径100dmm=, 故取 1 2 100dmm =。曲柄宽度为109lmm=，轴与曲柄孔长度为 1 109lmm=。 3.2.2 轴轴的的结构结构设计设计 1) 根据轴定位的要求确定轴各段直径和长度 1. 为了满足曲柄的轴向定位要12段左端需制出定位轴肩高度h一般 ()()0.05 0.10.05 0.11005 10hdmm=,故取12段d为 105mm. 2. 选取挡圈。因挡圈是为了固定滚动轴承，故选其标准件894286gb。所以 4 5 105dmm =， 4 5 4.2lmm =。 3. 轴承段选取。因要求轴承能承受较大径向力作用，固选调心滚子轴承。参照 工作要求根据 3 4 110dmm =由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组， 标准精 度 级 的 调 心 滚 子 轴 承28887gb 53522， 其 尺 寸 为 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 27 110 200 52dd tmm=，故 5 69 10 110ddmm =， 5 69 10 52llmm =。 左端 滚动轴承采用挡圈进行轴向定位。 由手册查得 53522 型轴承的定位档圈 型号为894286gb，故取 3 43 4 1106dmmlmm =。 4. 取安装阀板处的轴段78部分的直径 7 8 120dmm =，且该阀板需承受一定的 物料，故普通连接不可靠，需要将主轴与阀板的加强筋进行焊接，而阀板应 略小于该轴段，所以应取该轴段 7 8 1340l = mm。 5. 轴承端盖总宽度为10mm。根据轴承端盖的装拆及方便对轴承添加润滑脂的 要求，取端盖的外端与外设接近板间的距离为40lmm=，故 12 13 50lmm =。 2) 轴上零件周向定位 阀板用焊接的方法将其与轴固定，并成为一体，轴承一边由轴肩固定，另一 边由挡圈固定。由手册查得平键截面尺寸为28 16bhmm=，键槽用铣刀加工， 长度为100mm，同时为了保证曲柄与轴配合有良好的对中性，故选曲柄与轴的 配合为 7 6 h k 。滚动轴承定位是由过度配合来保证，此处选轴的直径尺寸公差为 6k，轴与支承板的配合也由间隙配合来保证，尺寸公差为7h。 3) 确定轴上圆角和倒角尺寸 参考表152（ 机械设计 ） ，取轴端倒角为2 45，各轴肩处的圆角半径为 1r = 。 图 3.1 轴的结构 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 28 4) 求轴上的载荷 根据轴的结构图，可将其简化为简支梁，支承跨距 23 1552llmm+=。 50 n = 0 = 860dmm= 2 t t f d = tan cos n rt ff = cos t n n f f = 机械设计式（10- 3） 式中： t f 切向力，n mm； r f 径向力，n mm； a f 轴向力，n mm； t 阀板传递的转距，n mm； d阀板外边缘到主轴中心距，mm； n 受力方向与阀板之间的夹角； 213142434 2 30563.8 860 t t fn d = tantan50 30563.830563.8 tan5036425 coscos0 n rt ffn = tan36425 0